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Elektrotechnik & Informationstechnik, Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik
Professur für Prozessleittechnik
Virtuelle Inbetriebnahme
Dresden, 01.07.2014
Prof. Dr.-Ing. habil. Leon Urbas, Dipl.-Ing. Annett Krause
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Agenda
Inbetriebnahme
• Ziele und Aufgaben
• Ablauf
• Factory Acceptance Test
(FAT)
• Site Acceptance Test (SAT)
• Site Integration Test (SIT)
• Wasserfahrt
• Inbetriebnahme mit
Chemie
Virtuelle Inbetriebnahme
• Motivation
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INBETRIEBNAHME (IBN)
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Ziele und Aufgaben der Inbetriebnahme [1]
Ziel der Inbetriebnahme (IBN) ist der Übergang der funktionsfähigen
Anlage zur produktionsfähigen Anlage
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Phasenmodell der Projektierung - NA 35 [2]
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IBN des Automatisierungssystems
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Typischer Ablauf FAT, SAT, SIT [3]
DIN EN 62381
Automatisierungssysteme in der verfahrenstechnischen Industrie –
Werksabnahme (FAT), Abnahme der installierten Anlage (SAT) und
Integrationstest (SIT) [3]
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Factory Acceptance Test (FAT) [3]
Werksabnahme
Tätigkeit zum Nachweis, dass das System des Lieferanten und
zusätzlich gelieferte Systeme in Übereinstimmung mit der
Spezifikation sind.
Wann?
• Software erstellt, System angeschlossen
• hauseigener Prüfung abgeschlossen
• Vorlage der Prüfberichte
Wer?
• durch Lieferant
• Käufer bezeugt die Testaktivitäten
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FAT-Prüfplan [3]
Punkt Beschreibung
1 Start-up Meeting (Prüfung der Dokumente, Zeitplan, etc.)
2 Herstellerdokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)
3 Hardware- und Software-Inventar prüfen
4 Mechanische Inspektion
5 Verdrahtungs- und Anschlussinspektion
6 Prüfung des Systemlaufs
7 Allg. Systemfunktionen inkl. Hardware-Redundanz- und Diagnoseprüfung
8 Visualisierung/Bedienung
9 Funktionsprüfung
10 Komplexe Funktionen und Betriebsmodi (z.B. Batchbetrieb, Ablaufsteuerungen)
11 Test der Schnittstellen zu Subsystemen
12 FAT-Restarbeiten, Restpunkteliste
13 FAT-Abschlussbesprechung
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Details zum FAT-Prüfplan [3]
Name Zweck
Dokumentationsprüfung Alle FAT-relevanten Dokumente prüfen.
HW-/SW-Inventar prüfen Überprüfung, ob die HW-Architektur, das Mengengerüst, Maße, Farben usw. in Übereinstimmung mit den relevanten Dokumenten sind. Weiterhin müssen die SW-Lizenzen, Ersatzteile und Verbrauchsmaterialien überprüft werden.
Mechanische Inspektion Inspektion der HW-Architektur und der Ausführung entsprechend den genehmigten Dokumenten.
Verdrahtungs- und Anschlussprüfung
Überprüfen, ob die Verdrahtung mit den Richtlinien, niedergelegt in dem Pflichtenheft und den genehmigten HW-Dokumenten, übereinstimmt und ob ihre handwerkliche Ausführung den üblichen Industriestandards entspricht.
… …
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Prüfung des Systemlaufs [3]
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Visualisierung & Bedienung [3]
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Funktionsprüfung [3]
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Komplexe Funktionen [3]
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Festgestellte Mängel
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[3]
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Site Acceptance Test (SAT) [3]
Abnahme der installierten Anlage
Tätigkeit zum Nachweis, dass die installierten verschiedenen
Systeme des Lieferanten in Übereinstimmung mit der
Spezifikation und den Installationsvorschriften sind.
Wann?
• System auf die Baustelle geliefert
• ordnungsgemäße Installation (inkl. HW, Spannungsversorgung,
Erdung, Kommunikation)
• Inbetriebnahme des Systems
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SAT-Prüfplan [3]
Punkt Beschreibung
1 Start-up Meeting (Prüfung der Dokumente, Zeitplan, etc.)
2 Lieferantendokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)
3 Hardware- und Software-Inventar prüfen
4 Mechanische Inspektion
5 Erstinbetriebnahme/Diagnosecheck (Erdungssystem, Spannungsversorgung, Netzverbindung, etc.)
6 Software laden
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Site Integration Test (SIT) [3]
Integrationstest
Tätigkeit zum Nachweis, dass das Zusammenschalten der
verschiedenen Systeme zu einem Gesamtsystem abgeschlossen
ist und alle Komponenten wie spezifiziert zusammenarbeiten.
Wann?
• nach dem SAT
• mehr als ein System vorhanden (und fertiggestellt) z. B.
Package Units mit eigenem DCS/PLC oder Unit-Controller
Analysesysteme bei nicht-konventionellen E/A-Signalen
ESD-Systeme (Emergency Shut Down)
Zusammenschaltung von DCS/PLC verschiedener Hersteller
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SIT-Prüfplan [3]
Punkt Beschreibung
1 Start-up Meeting (Prüfung der Dokumente, Zeitplan, etc.)
2 Lieferantendokumentation überprüfen (inkl. hauseigene Prüfberichte)
3 Mechanische Inspektion (Kommunikationsverbindungen zwischen den Systemen)
4 Diagnosecheck (Kommunikationsprüfung zwischen den Systemen, Baud-Rate usw.)
5 Software laden (falls anwendbar)
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IBN verfahrenstechnischer Anlagen [1]
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Gesamtzeitraum der Inbetriebnahme wird in der Regel in die folgenden
drei Phasen unterteilt
• Herstellung der Betriebsbereitschaft
• Probebetrieb
• Garantieversuch (Abnahmeprüfung der gesamten Anlage)
Herstellung der Betriebsbereitschaft
Probe-betrieb
Garantie-versuch
[3] plus [1]
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IBN verfahrenstechnischer Anlagen [1]
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Herstellung der Betriebsbereitschaft
Probe-betrieb
Garantie-versuch
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Wasserfahrt [1]
Beschreibung nach [1, S. 279]
Komplexe Funktionsprüfung, möglichst der Gesamtanlage, mit Wasser und
Luft/Stickstoff.
Verbreitet in Chemie-, Pharma- und Lebensmittelanlagen
Prüfen, ob später auch mit Wasser hantiert wird bzw. eventuelle
Wasserrestmengen zumindest nicht stören (in Raffinerieprozessen und
chemisch-katalytischen Prozessen nicht der Fall – dort ggf. keine
Wasserfahrt erwünscht)
Ziel: Nachweis mechanischer und verfahrenstechnischer Funktion
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Inbetriebnahme mit Chemie [1]
Sinnvolle Anfahrstrategien
• zunächst „Inseln“ in Betrieb
nehmen
• sobald die „Inseln“ stabil sind
mit Kopplung beginnen
• zuerst Vorwärtsverkettung
(später Rückkopplungen)
• 60-70% Nennlast anfahren
• kritische Anfahrschritte
zeitlich und inhaltlich
entkoppeln
Anzufahrende Komponenten
• Antriebe
• Pumpen
• Verdichter
• Turbinen mit Generatoren
• Industrieöfen und
Dampferzeuger
• Reaktoren und Absorber
• Kolonnen
• Prozessleittechnik und
Elektrotechnik
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VIRTUELLE INBETRIEBNAHME
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Aktuelle Herausforderungen in der
Prozessautomatisierung
Mechanisierung und Automation
• Produktivität
• Ressourceneffizienz
• Qualität
• Anlagensicherheit
Kommunikation und Integration
• Transparenz
• Flexibilität
• Geschwindigkeit
• Informationssicherheit
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Motivation
Prüfung der Automatisierungstechnik liegt auf dem kritischen
Pfad
• Häufig per Forcen der Eingänge (manuell)
• unter Zeitdruck
• auf der Baustelle
• mit Gefahr für die Anlage
Späte Fehlererkennung und –beseitigung ist teuer
• Spezifikationsfehler
• Implementierungsfehler
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Tätigkeiten vor Inbetriebnahme
1. Leitsystem spezifizieren
2. Software konfigurieren
3. Montage kontrollieren
4. Anlage reinigen
5. IBN der Infrastrukturleitungen und Mediensysteme
6. Funktionsprüfung von Hardware und Software
7. Abnahmeprüfung
→ Durchführung dieser Tätigkeiten typischerweise fehlerbehaftet
→ Fehler werden erst bei der IBN erkannt und können somit erst
auf der „Baustelle“ behoben werden
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Phasen
Feh
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Feh
lern
1.1 Projektziele festlegen 0,6 1 0,6 0,36 x 1 0,36
1.2 Grobkosten schätzen 0,4 0,6 0,2 0,048 0 0
2.1 Anlagenkonzept festlegen 1 1 0,8 0,8 x 6 4,8
2.2 Kosten schätzen 0,6 0,6 0,2 0,072 0 0
3.1 PLT-Funktionen festlegen 0,8 0,8 0,6 0,384 x 10 3,84
3.2 Verfahrenstechnische Daten beschaffen 0,8 0,6 0,4 0,192 5 0,96
3.3 Technische Realisierung festlegen 0,8 1 0,4 0,32 x 3 0,96
3.4 Kosten kalkulieren 0,6 0,8 0,4 0,192 1 0,192
4.1 Geräte festlegen 0,6 0,8 0,6 0,288 x 5 1,44
4.2 Zentrale Einrichtungen festlegen 0,4 0,8 0,6 0,192 8 1,536
4.3 Leitsystem spezifizieren 0,6 0,6 0,8 0,288 x 5 1,44
4.4 Stellenpläne erzeugen 0,4 0,2 0,4 0,032 8 0,256
4.5 Stellenfunktionspläne erzeugen 0,6 0,4 0,6 0,144 10 1,44
4.6 Montageunterlagen erstellen 0,6 0,6 0,4 0,144 9 1,296
5.1 Bestellung veranlassen 0,6 0,8 0,4 0,192 2 0,384
5.2 Lieferung bestätigen 0,4 0,2 0,2 0,016 1 0,016
5.3 Software konfigurieren 1 0,6 0,6 0,36 x 10 3,6
5.4 Montage vorbereiten 0,4 0,8 0,4 0,128 1 0,128
5.5 Montage überwachen 0,4 0,6 0,4 0,096 4 0,384
5.6 Funktionen überprüfen 0,4 0,6 0,6 0,144 6 0,864
6.1 Personal ausbilden 0,2 0,8 0,8 0,128 1 0,128
6.2 Inbetriebsetzung unterstützen 0,4 0,6 0,8 0,192 1 0,192
6.3 Dokumentation revidieren 0,2 0,2 1 0,04 2 0,08
6.4 Dokumentation übergeben 0,2 0,2 1 0,04 0 0
7.1 Abschlussbericht erstellen 0,2 0,2 1 0,04 0 0
7.2 Projektabrechnung erstellen 0,2 0,2 0,2 0,008 0 0
Summe: 24,296
Inbetriebsetzung
4%
Projektabschluss
1%
Tätigkeiten
Grundlagenermittlung
1%
Basisplanung
19%
Vorplanung
6%
Ausführungsplanung
45%
Errichtung
24%
[1]
nach [1]
-
Lösungsansatz – Virtuelle Inbetriebnahme
Fachausschuss 6.11 - Virtuelle Inbetriebnahme
„Simulation bildet heutzutage eines der bedeutendsten
Werkzeuge im Engineering von automatisierten
Produktionsanlagen. Sowohl in der Fertigungs- und
Montageindustrie als auch zunehmend in der Prozessindustrie
können im Rahmen der Virtuellen Inbetriebnahme (VIBN)
Steuerungen getestet werden, noch bevor diese in die
reale Anlage installiert werden.“ [4]
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Ziele der VIBN [5, S. 29]
Ziel der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) ist die Optimierung und
Absicherung des Zusammenspiels von
• Anlagenmechanik,
• Anlagenelektrik und
• Steuerungssoftware
ohne das die reale Fertigungsanlage vorhanden ist.
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Potenziale der VIBN
1. Funktionstests
Verriegelungen
HMI
Alarm- und Meldesysteme
2. Wasserfahrt
Schritte der realen IBN mit Wasser
3. Operator Training System (OTS)
Handhabungstrainings
Standard Operating Procedures (SOP)
Startup/Shutdown, Emergency SOP
4. Parameteroptimierung, z.B.
Regelparameter
Grenzwerte für Alarme und Meldungen
Füllstände, Durchflüsse etc. im Arbeitspunkt
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Integrierte VIBN
01.07.2014 CAE-PA 12 - Virtuelle Inbetriebnahme 31
FA
T
Montage -
unterlagen
erstellen
4.6
Stellen -
funktionspläne
erzeugen
4.5
Bestellung
veranlassen
5.1
Montage
vorbereiten
5.4
Lieferung
bestätigen
5.2
Software
konfigurieren
5.3
Inbetrieb -
nahme
unterstützen
6.2
Personal
ausbilden
6.1
Funktionen
prüfen
5.6
Modell -
generierung auf
Systemebene
(DGL)
VIBNWasserfahrt
(~ 6.2)
VIBNOperator Training
(~6.1)
Continous
Operator
Training
Modell -
generierung auf
Netzwerkebene
(DAE)
VT-Detail
(App, Equ)
Montage
überwachen
5.5
VIBNFunktionstests
(~ 5.6)
done done done done done done done done done done
SA
T
SIT
done
done done
done
Dauerbetrieb
done
do
nedone
VIBN
Parameter -
Optimierung
IterationVT-Basic
Engineering
-
Integrierte VIBN
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Vorteile der VIBN
Zeitgewinn durch effiziente Testabläufe
• Speichern von "Anlagen"-Zuständen
• Zeitraffer und Zeitlupe
• Systematisch simulieren statt manuell „forcen“
Höhere Qualität auch in Randbereichen
• Analyse der Anlage im Anfangszustand ist möglich
• Prozessanalyse außerhalb der Projektparameter ist möglich
• Analyse einzelner Stufen des Prozesse ist möglich
Zeitgewinn durch Frontloading von weiteren Arbeitsschritten z.B.
• Anbindung an MES/ERP
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Modelle und Detaillierungsgrad
Finite Ebene
• detaillierteste Ebene
Netzwerkebene
• Gibt physikalische und chemische
Zusammenhänge realitätsnah wieder,
z.B. OTS)
• bidirektionale Energie-, Informations-
und Materialflüsse
Systemebene
• Objektübergreifend, gibt funktionale
Zusammenhänge wieder
• unidirektionale Signalflusslinien
Zustandsebene
• Basiert auf Objekten, z.B. Ventil
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Verfahrens-optimierung
Anwender-Schulung
Test der Software aus korrekteFunktion, Abläufe, Verriegelungen
und Grenzwerte
Test der installierten Sensoren und Aktoren auf korrekte Funktion und
Verdrahtung
E/A-Modelle
Modell mit Dynamikund adaptiven
Parametrierungsgrad
Dynamisches Modell mit nummerisch korrekter Wiedergabe der physikalischen
und chemischen Vorgänge
Modell mit Dynamik und hohem Parametrierungsgrad
Finite
Ebene
Netzw
erk-
ebene
System-
ebene
Zustands-
ebene
[4]
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Bewertung der VIBN
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Kriterien VIBN-Typen
Funktionstest Hochlauftest OTSParameter-
Optimierung
Benötigte Modelle Systemebene NetzwerkebeneNetzwerkebene
Finite EbeneFinite Ebene
Modellgenerierungs-
AufwandGering Mittel Groß Sehr groß
Einsparungspotenzial bei
realer IBNGroß Groß Mittel Gering
-
Bewertung der VIBN
VIBN für Hochlauftest, OTS & Parameter-Optimierung benötigen
Modelle der Verfahrenstechnik
• Nicht durch einfache Modelle auf Systemebene erzeugbar
• Bedarf von detaillierteren verfahrenstechnischen Wissen
Verschiedene Ziele von OTS führen zu verschiedenen Aufgaben
• Notwendigkeit unterschiedlicher Modelle im Simulationssystem
• OTS Aufgaben haben dabei unterschiedliche Mindestanforderungen
an den Modellierungsgrad
• Modellierungsgrad bestimmt Genauigkeiten & Gültigkeitsbereiche
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Automatische Simulationsgenerierung [6]
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Literatur
[1] K. H. Weber, Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen, Berlin: Springer-Verlag,
2006.
[2] NA 35, „Abwicklung von PLT-Projekten,“ NAMUR-Geschäftsstelle, Leverkusen, 2003.
[3] DIN EN 62381, „ Automatisierungssysteme in der verfahrenstechnischen Industrie –
Werksabnahme (FAT), Abnahme der installierten Anlage (SAT) und
Integrationstest (SIT),“ DKE, 2010.
[4] http://www.vdi.de/technik/fachthemen/mess-und-
automatisierungstechnik/fachbereiche/engineering-und-betrieb-automatisierter-
anlagen/gma-fa-611-virtuelle-inbetriebnahme/ abgerufen am 30.06.2014
[5] M. Grimm, „Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen,“ atp edition –
Automatisierungstechnische Praxis 54(4), pp. 28-33, April 2012.
[6] M. Barth, Automatisch generierte Simulationsmodelle verfahrenstechnischer Anlagen für
den Steuerungstest, Düsseldorf: Fortschritts-Berichte VDI Reihe 20, Nr. 438, 2011.
01.07.2014 CAE-PA 12 - Virtuelle Inbetriebnahme 38
http://www.vdi.de/technik/fachthemen/mess-und-automatisierungstechnik/fachbereiche/engineering-und-betrieb-automatisierter-anlagen/gma-fa-611-virtuelle-inbetriebnahme/
-
Besucheradresse:
Barkhausen-Bau
Georg-Schumann-Str. 11
01187 Dresden
Prof. Dr.-Ing. habil. Leon Urbas
Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik und
Informationstechnik
Institut für Automatisierungstechnik
Tel.: +49 351 463-34604
Fax: +49 351 463-39681
Postanschrift (Briefe):
Technische Universität Dresden
Fakultät Elektrotechnik und
Informationstechnik
Institut für Automatisierungstechnik
01062 Dresden
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